Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn die Umwelt Druck macht - Natürliche Selektion schafft neue Gene

10.04.2008
Neue Gene entstehen durch eine Reihe molekularer Mechanismen, unter anderem durch Genduplikation. Dabei wird ein bereits bestehendes Gen verdoppelt, so dass es nun in einer weiteren Kopie vorliegt.

Weil das neue Gen für den Erhalt und die Funktion des Organismus nicht nötig ist, wirken sich Veränderungen darin oft nicht unmittelbar aus. Das neue Gen verändert sich in der Regel deshalb schneller als die ursprünglich identische Vorlage, bis sich die Duplikate grundlegend unterscheiden - und auch verschiedene Funktionen vermitteln.

Die beiden Evolutionsbiologen Professor Wolfgang Stephan und Dr. Steffen Beisswanger der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München konnten nun zeigen, dass ein sehr wichtiger Mechanismus der Evolution eine unerwartet große Rolle bei dieser funktionellen Differenzierung spielt. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)" berichtet, ist damit zum ersten Mal die Bedeutung der natürlichen Selektion in diesem Zusammenhang nachgewiesen. Darunter versteht man den Druck, den die Umwelt auf Individuen ausübt, und der über deren genetische Anpassungsfähigkeit - und letztlich den Fortpflanzungserfolg - vermittelt wird.

Umso überraschender war, dass das in der vorliegenden Studie untersuchte Gen zwar von dem neu gefundenen Mechanismus betroffen ist, aber wohl keinen direkten Umweltbezug hat.

... mehr zu:
»Evolution »Gen »Genkonversion »Selektion

"Im Laufe der Evolution haben sich zunehmend komplexere Lebensformen entwickelt", berichtet Stephan. "Dies war nur möglich, weil auch Gene mit neuen Funktionen entstanden sind. Und eine der zentralen Aufgaben für uns Evolutionsgenetiker besteht darin, diesen Prozess der funktionellen Differenzierung zu erklären." Nach der herrschenden Lehrmeinung entstehen neue Gene in der Regel durch die Duplikation eines bereits vorhandenen Gens, wobei sich die beiden Kopien dann zunehmend in Bezug auf ihren Aufbau und die Funktion voneinander entfernen.

Dies kann dazu führen, dass eines der beiden Gene die ursprüngliche, das andere aber eine neue Funktion annimmt. Wie dies genau vonstatten geht, war bislang allerdings weitgehend unklar. Die Evolution von duplizierten Genen ist nämlich dank der so genannten Genkonversion gekoppelt.

Dabei werden Sequenzinformationen im genetischen Material ausgetauscht, in diesem Fall zwischen den beiden Duplikaten. Dadurch aber können beispielsweise die Mutationen eines der beiden Gene auf das andere übertragen werden - die Identität der Kopien bleibt so also tendenziell erhalten.

"Deshalb stellt sich die Frage, wie schnell sich die Duplikate auseinanderentwickeln müssen, um dem Prozess der Genkonversion zu entgehen", sagt Beisswanger. "Wir wollten zudem wissen, welcher Mechanismus dieses Entkommen ermöglicht. Letztlich haben unsere Ergebnisse dann gezeigt, dass positive natürliche Selektion den Prozess der funktionellen Differenzierung zweier Genkopien ermöglicht, wenn sie sehr stark ist - und wenn gleichzeitig die Genkonversion zwischen den Duplikaten unterdrückt wird.

Stephan und Beisswanger untersuchten in der vorliegenden Arbeit zwei benachbarte Gene der Taufliege Drosophila melanogaster, die durch Duplikation entstanden waren: ph-d (distal) und ph-p (proximal), die zusammen den Genort oder Locus ph (für "polyhomeotic") bilden. "Die Duplizierung von ph ist vor mindestens 25 bis 30 Millionen Jahren erfolgt", berichtet Stephan. "Trotzdem sind sich die beiden Kopien strukturell und funktionell noch sehr ähnlich, was wohl auf Genkonversion zurückzuführen ist." Dennoch zeigen sich Unterschiede in der Regulation der beiden Gene - was ein erstes funktionelles Auseinanderdriften anzeigt.

Die beiden Evolutionsbiologen analysierten deshalb die Sequenz der Duplikate auf der Suche nach eindeutigen Anzeichen für einen starken positiven Selektionsdruck. Ein Beispiel für einen derartigen - meist kurzlebigen und damit schwer nachweisbaren - "selective sweep" ist eine Veränderung im Genom mit positiven Auswirkungen, die erst vor kurzem fixiert wurde. Typisch für einen "selective sweep" ist unter anderem eine geringe Variation an der betreffenden Stelle im Genom.

Tatsächlich fanden die Wissenschaftler entsprechende Merkmale im Bereich des ph-Genorts. Es ließ sich sogar noch weiter eingrenzen, wo genau der Selektionsdruck vermutlich am stärksten wirkt: Dieser Bereich ist im Gen ph-p. "Die Frage ist nun, wie es zur Neofunktionalisierung kommen kann, obwohl die Genkonversion in diesem Bereich im Laufe der Evolution auch gewirkt hat," so Stephan. "Wir vermuten, dass dieser Mechanismus im betroffenen Bereich inaktiviert wurde, weil zu schnell zu viele Veränderungen aufgetreten sind, bis eine Genkonversion dann unmöglich wurde."

Bisher wurde die natürliche Selektion als Helfer der Neofunktionalisierung wegen des Gegenspielers Genkonversion nur theoretisch für möglich gehalten. "Unser Resultat ist aber auch aus einem anderen Grund überraschend", ergänzt Beisswanger. "Natürliche Selektion bedeutet schließlich, dass Individuen, die mehr Nachkommen als ihre Artgenossen produzieren, ihre Genvarianten erfolgreich weitergeben.

Diese Fitness wird vor allem über die individuelle Fähigkeit zur Anpassung an die Umwelt vermittelt. Entsprechend hatten wir erwartet, die selective sweeps vor allem bei Genen zu finden, die an der Anpassung der Organismen direkt beteiligt sind. Das können etwa Gene sein, die Umweltgifte entschärfen oder die Sinneswahrnehmung beeinflussen. Das von uns untersuchte Gen hat aber wahrscheinlich keinen direkten Umweltbezug, sondern reguliert die Aktivität von hunderten anderer Gene. Möglicherweise also spielt die natürliche Selektion bei der Neofunktionalisierung sogar eine noch größere Rolle als vermutet." (suwe)

Publikation:
"Evidence that strong positive selection drives neofunctionalization in the tandemly duplicated polyhomeotic genes in Drosophila",
Steffen Beisswanger und Wolfgang Stephan,
PNAS, Bd. 105, S. 5447-52, 8. April 2008
Ansprechpartner:
Professor Dr. Wolfgang Stephan
Biozentrum der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 74102
Fax: 089 / 2180 - 74104
E-Mail: stephan@zi.biologie.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.lmu.de
http://www.zi.biologie.uni-muenchen.de/evol

Weitere Berichte zu: Evolution Gen Genkonversion Selektion

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nesseltiere steuern Bakterien fern
21.09.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Die Immunabwehr gegen Pilzinfektionen ausrichten
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften